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Certus-NX: Stromsparende Universal-FPGAs für Edge-Anwendungen

| Redakteur: Michael Eckstein

Winzige Gehäusegrößen, trotzdem viele Ein- und Ausgänge, robust und sehr sparsam: Mit dieser Kombination schickt Lattice seine neuen Certus-NX-FPGAs ins Rennen um Marktanteile.

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Vollständige PCIe-Lösung auf einer Fläche von nur 36 mm2: Laut Lattice mit Certus-NX-FPGAs kein Problem.
Vollständige PCIe-Lösung auf einer Fläche von nur 36 mm2: Laut Lattice mit Certus-NX-FPGAs kein Problem.
(Bild: Lattice Semiconductor)

Nach seiner klaren Ausrichtung auf energieeffiziente programmierbare Logikbausteine für Embedded-Edge-Anwendungen baut Lattice mit erstaunlicher Schlagzahl sein Portfolio aus. Neustes Produkt nach den vor einem halben Jahr eingeführten CrossLink-NX-FPGAs sind FPGAs der Certus-NX-Familie.

Nach Angaben des Herstellers heben sich die neuen Bausteine durch hohe Energieeffizienz, Kompaktheit, Zuverlässigkeit, sofortige Betriebsbereitschaft nach dem Einschalten sowie Unterstützung für schnelle PCI-Express- (PCIe) und Gigabit-Ethernet-Schnittstellen aus.

Damit würden sie sich zum Beispiel für Daten-Coprozessor-, Signal-Bridging und Systemsteuerungsanwendungen eignen. Die neuen FPGAs decken somit ein breites Anwendungsspektrum ab, von Datenverarbeitung im Rahmen der Industrieautomatisierung bis zum Systemmanagement in Kommunikationsinfrastrukturen.

FD-SOI-Prozess sorgt für geringen Energiebedarf

Beide IC-Familien basieren auf der neuen Lattice Nexus-Plattform: Technische Grundlage ist ein „Fully Depleted Silicon on Insulator“ (FD-SOI) CMOS-Fertigungsverfahren, mit dem sich sehr energieeffiziente Chips mit 28 nm Strukturgröße herstellen lassen. Neben dem geringen Energiebedarf hebt Lattice hervor, dass die Zahl der Ein- und Ausgänge pro Fläche (Anzahl I/Os pro mm2) deutlich höher sei als bei vergleichbaren Bausteinen seiner Wettbewerber – gemeint ist etwa ein Xilinx Artix-7 oder Intels Cyclone V GT.

Das bestätigt Linley Gwennap, Chefanalyst bei The Linley Group: „Im Vergleich zu konkurrierenden FPGAs mit ähnlich vielen Logikgattern überzeugen die Lattice-Bausteine durch ein wesentlich kleineres Gehäuse, eine höhere I/O-Dichte und einen geringeren Strombedarf.“

Möglich mache das die Ende letzten Jahres vorgestellte Entwicklungsplattform Nexus, erklärt Gordon Hands, Produktmarketingchef bei Lattice Semiconductor: „Damit konnten wir Innovationen auf System-, Architektur- und Schaltungsebene realisieren, die es uns erlauben, Produkte schneller auf den Markt zu bringen.“ Außerdem würden Anwender mehr Auswahlmöglichkeiten hinsichtlich Performance und Energiebedarf erhalten.

Certus-NX ist laut Hands auf schnelle parallele Datenverarbeitung und flexible I/O-Nutzung ausgelegt. Das ermögliche „die Entwicklung kreativer Endprodukte“.

Ausgelegt für Edge-Anwendungen

Trends wie die verstärkte Industrieautomation und der Ausbau von 5G-Infrastrukturen veranlassen Entwickler in verschiedenen Märkten, ihre am Edge – also am Netzwerkrand – laufenden Anwendungen um Datenverarbeitungs- und Konnektivitätsfunktionen zu erweitern. Um mit diesen Entwicklungen mithalten zu können, benötigen die Endprodukte Prozessor-Hardware mit möglichst geringem Stromverbrauch und Unterstützung für gängige Schnittstellen wie PCIe und Gigabit Ethernet.

Eine weitere Voraussetzung sind benutzerfreundliche Entwicklungsplattformen, die Hardware, Software und IP nach Möglichkeit aus einer Hand bereitstellen und dadurch eine schnelle Produktentwicklung unterstützen.

„Als ein Unternehmen, das sich auf FPGA-basierte Designs spezialisiert hat, beobachten wir bei vielen Endanwendungen – darunter 5G- und IoT-Systeme – eine zunehmende Verbreitung von seriellen Protokollen wie PCIe und Ethernet für Chip-to-Chip-Verbindungen“, sagte Sanjeev Kumar, CEO von Logic Fruit Technologies. „FPGAs, die diese Standards unterstützen, eine hohe I/O-Dichte mit geringem Stromverbrauch und kompakten Abmessungen kombinieren,

ermöglichen es unseren Kunden, sich schnell an die veränderlichen Herausforderungen ihrer Märkte hinsichtlich Konnektivitäts- und Leistungsanforderungen anzupassen.“

IP-Böcke aus umfangreicher Bibliothek beschleunigen die Entwicklung

Nach Angaben von Lattice beanspruchen Certus-NX-FPGAs nur sehr wenig Leiterplattenfläche und passen dadurch auch in kompakte Designs. Beispielsweise ließe sich mit Certus-NX-FPGAs eine vollständige PCIe-Lösung auf einer Fläche von nur 36 mm2 realisieren. Selbst die kleinsten FPGAs der Familie Certus-NX würden im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten eine bis zu doppelt so hohe I/O-Dichte bereitstellen, wodurch sich beim Design ein größerer Gestaltungsspielraum verfügbar sei.

Certus-NX-Entwickler erhalten Zugriff auf die umfangreiche IP-Bibliothek von Lattice. Hier stehen IP-Blöcke bereit, darunter eine differenzielle 1,5-GBit/s-I/O-Schnittstelle oder 5-GBit/s-PCIe, 1,5-GBit/s-SGMII und 1066-MBit/s-DDR3. Entwickler können diese IP-Blöcke auf Certus-NX-Entwicklungs-Boards testen und so schnell Schnittstellen implementieren.

Um den Bitstrom der Geräte gegen unberechtigten Zugriff, Veränderung und/oder Kopieren zu schützen, unterstützen Certus-NX-FPGAs die AES-256-Verschlüsselung mit ECDSA-Authentisierung. Dadurch seien Endprodukte während ihres gesamten Lebenszyklus zuverlässig geschützt, erklärt Lattice.

In wenigen Millisekunden betriebsbereit

Certus-NX FPGAS erlauben dem Anwender, je nach Anforderungen der Anwendung per Software zwischen Betriebsarten mit maximaler Leistungsfähigkeit oder minimalem Stromverbrauch zu wählen. Die FPGAs sollen dadurch bis zu 4-mal weniger Strom als die oben genannten Wettbewerbsprodukte verbrauchen.

Nach Angaben von Lattice sind die Cerus-NX-Bausteine nach dem Einschalten sofort betriebsbereit, da sie „aus dem SPI-Speicher blitzschnell konfiguriert“ werden. Einzelne I/Os würden nach nur 3 ms betriebsbereit sein, der vollständige FPGA-Start, je nach Speicherkapa-zität, soll lediglich 8 bis 14 ms benötigen. Zum Vergleich: Laut Lattice benötigt ein Intel Cyclone V GT rund 140 ms, ein Xilinx Artix-7 etwa 173 ms für das Konfigurieren.

Viel Wert hat Lattice nach eigenen Angaben auf eine hohe Zuverlässigkeit seiner neuen Bausteine gelegt. Diese ist tatsächlich essenziell für sicherheitskritische Industrie- und Automobilanwendungen, bei denen die Endprodukte unbedingt die erwartete Leistung und Funktionalität bereitstellen müssen, um Sachschäden oder Verletzungen zu vermeiden.

„Sehr geringe Soft-Error-Rate“

Bei den Certus-NX-FPGAs sei es gelungen, eine sehr geringe Soft-Error-Rate (SER) zu realisieren. Laut Lattice liegt diese um Größenordnungen unter der von Vergleichsprodukten. Zudem würden die FPGAs ECC und SEC per Hardware unterstützen und sich dank hoher Temperaturfestigkeit für industrielle Anwendungen eignen.

Als einheitliche FPGA-Designumgebung stellt Lattice seinen Certus-NX-Chips die hauseigene Radiant-Suite zur Seite. Umfassende integrierte Funktionen und leistungsfähige Tools“ sollen Anwender beim effizienten Entwickeln ihrer Anwendungen unterstützen.

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